传感器应用技术 课件 项目5 超声波传感器应用电路设计与调试

Sensorsapplicationtechnology超声波基本概念Ultrasonicbasicconcepts1.1超声波的定义1.2超声波的物理量1.3超声场的物理量1.4超声波的波型课程内容

CourseContents声波的实质机械振动在媒质中的传播。1.1

超声波的定义次声 可听声超声超声波是频率大于两万赫兹的声波。1.1

超声波的定义1.2

超声波的物理量• 频率• 波长• 声速频率

f/周期T声源在一秒钟内振动的次数叫频率，记作f，单位为Hz。

振动一次所经历的时间叫周期，记作T，单位为s。

频率和周期互为倒数，即T=1/f。1.2

超声波的物理量波长λ沿声波传播方向，振动一个周期所传播的距离称作波长，记为λ，单位为m。• 频率• 波长• 声速1.2

超声波的物理量• 频率• 波长• 声速声速c一秒时间内声波传播的距离叫声波速度，简称声速，

记作c，单位为m/s频率、波长和声速三者的关系是：

c＝fλ超声波在空气中传播速度近似为340m/s充满超声波的空间叫做超声场。• 声压• 声强• 声阻抗1.3

超声场的物理量1.3

超声场的物理量声压

p当介质中有超声波传播时，由于介

质质点振动，使介质中压强交替变化。超声

场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有

超声场存在时的静态压强之差被称为声压，

常用p表示，单位为帕(

Pa

)

。某一点声压幅值P=

ρcu其中

ρ

----介质的密度;c----介质中的声速;u----质点的振动速度p

p1

p0

(Pa)声强

I•

在垂直于超声波方向上的单位面积内通

过的声能量被称为声强度，也称声强。

声强的单位是W/m2

，瓦/平方米。• I=（p^2）/(ρc)（此时p为有效值）1.3

超声场的物理量声阻抗

Z• 超声场中任一点的声压p与该处质点振动

速度u之比称为声阻抗，常用Z表示。Z

=

p

/

u

=

ρcu

/

u

=

ρc• 由上式可知，声阻抗的大小等于介质的

密度ρ与波速c的乘积1.3

超声场的物理量①

纵波：固体、液体和气体②

横波：固体③

表面波：固体振幅随深度增加而迅速衰减1.4

超声波的波型①

纵波：介质中质点的振动方向与传播方向同轴的波固体、液体和气体中传播1.4

超声波的波型1.4

超声波的波型②

横波：介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波固体中传播1.4

超声波的波型③

表面波：质点的振动介于横波和纵波之间，沿着介质表

面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波固体中传播电子信息工程技术专业教学资源库THANK

YOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰、晏凯《传感器应用技术》课程Sensorsapplicationtechnology超声波基本特性Ultrasonicbasiccharacteristics1.1超声波的反射折射特性1.2超声波的衰减特性1.3超声波的生物效应课程内容

CourseContents1.1超声波的反射折射特性当超声波相对于界面入射点法线以一定的角度倾斜入射到两种不同介质的界面上时，在界面会产生反射、折射sin

c2sin

c1c1，

c2为介质1和介质2中波速sin

' c1sin

c1入射波

′界面介质11.1超声波的反射折射特性（1）反射定律介质2

反射波折射波（2）折射定律

＝

'1.1超声波的反射折射特性入射波

′界面介质1介质2

反射波折射波• 若Z2≈Z1声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质• 若Z2

>>

Z

1

或Z

1

>>

Z

2

,则声波几乎全反射，透射极少Z1，Z2为介质1和介质2中声阻抗超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波的能量逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。其声压和声强的衰减规律为

1.2

超声波的衰减特性

ax

2

axPx

P0e ，

Ix

I0e式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强；

x——声波与声源间的距离；

α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。衰减的主要原因：①扩散衰减②散射衰减③吸收衰减1.2

超声波的衰减特性随声波传播距离增加而引起声能的减弱。衰减的主要原因：①扩散衰减②散射衰减③吸收衰减1.2

超声波的衰减特性衰减的主要原因：①扩散衰减②散射衰减③吸收衰减1.2

超声波的衰减特性①机械效应在超声波的作用下，生物组织将受到压力的作用，并产生速度和加速度方面的变化。可软化组织、增强渗透、提高代谢、促进血液循环、刺激神经系统及细胞功能1.3

超声波的生物效应②

温热效应超声在生物组织中传播过程中，部分声能被生物组织吸收，转换为热能。1.3

超声波的生物效应超声透热疗法促进骨折愈合③

理化效应机械效应和温热效应会促发生物组织内的物理化学变化。1.氢离子浓度的改变炎症组织中伴有酸中毒现象时，超声波可使pH值向碱性方面变化，从而使症状减轻，有利于炎症的修复。2.对酶活性的影响超声波能使复杂的蛋白质解聚为普通的有机分子，能影响到许多酶的活性。1.3

超声波的生物效应④

空化效应超声波在液体介质中传播时产生声压。当产生的负声压超过液体的内聚力时，液体中出现细小的空腔。1.3

超声波的生物效应空腔分为两种，即稳定空腔和暂时空腔。稳定空腔周围产生局部的单向的液体流动，可以改变细胞膜的通透性。暂时的空腔在声压变化时破灭，产生高热、高压、发光、放电等现象，对机体有破坏作用。电子信息工程技术专业教学资源库THANK

YOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰、晏凯《传感器应用技术》课程Sensorsapplicationtechnology超声波传感器原理与特性Ultrasonicsensorprinciplesand

characteristics1.1超声波传感器的定义1.2超声波传感器的原理1.3超声波传感器的结构1.4超声波传感器的特性1.5超声波传感器的性能指标课程内容

CourseContents1.1超声波传感器的定义• 超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。• 压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波传感器，也称为超声波探头。1.2

超声波传感器的原理利用压电材料的压电效应制成压电式超声波传感器。正向压电效应

压电效应。逆向金属壳吸收块保护膜接线片压电晶片导电螺杆超声波探头结构如图所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用：降低晶片的机械品

质，吸收声能量。如果没有阻尼块,当激

励的电脉冲信号停止时,晶片将会继续振

荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。1.3

超声波传感器的结构屏蔽栅外壳

锥形振子双压电陶瓷晶片基座•

发送超声波时，圆锥形振子有较

强的方向性，因而能高效率地发

送超声波；接收超声波时，超声

波的振动集中于振子的中心，所

以能产生高效率的高频电压。1.3

超声波传感器的结构空气中用超声波传感器的结构(1) 频率特性发送超声波接收超声波1.4

超声波传感器的特性传感器的带宽较窄、具有单峰特性，即在中心频率处灵敏

度最高，输出信号幅度最大，也几乎在这个频点，接收器

的接收灵敏度最高，

而在中心频率两侧则迅速衰减。(2) 指向性特性1.4

超声波传感器的特性方向角(-6dB)：从超声波传感器轴线到声压降6dB处的角度(3)

阻抗特性并联谐振阻抗串联谐振频率超声波传感器具有高阻特性，驱动电流小，要求驱

动电压较高，是电压驱动型传感器。1.4

超声波传感器的特性（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。1.5

超声波传感器的性能指标超声波传感器-性能参数1.5

超声波传感器的性能指标电子信息工程技术专业教学资源库THANK

YOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰、晏凯《传感器应用技术》课程Sensorsapplicationtechnology超声波发射电路结构与原理ThestructureandprincipleofUltrasonictransmitting

circuit1.1 超声波发射电路结构1.2 振荡电路原理1.3 驱动电路原理课程内容

CourseContents振荡电路：产生超声波传感器工作需要的40KHz频率信号。驱动电路：增大驱动电流，有效驱动超声波振子发送超声

波。超声波发射头：发出40KHz超声波超声波发射头振荡电路驱动电路1.1

超声波发射电路结构振荡电路部分驱动电路部分Control1.1

超声波发射电路结构振荡电路部分IC1输出信号的周期为T1TH=0.7（R1+R2）C1=71msTL=0.7*R2*C1=1msT1=0.7（R1+2R2）C1=72ms9V1.2

振荡电路原理振荡电路部分IC2输出信号的周期为T2T2=0.7（R3+2VR1）C3调节VR1使IC2输出信号频率为40KHz9V1.2

振荡电路原理1.3

驱动电路原理两个反相器并联，输出电流加倍反相电压双端驱动，增大驱动电压U5CCD4049U5BULT1VH40KH_SENDCD4049输入信号CABCB超声头上的信号输入信号VH-VH超声头上的信号1.3

驱动电路原理电子信息工程技术专业教学资源库THANK

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circuit1.1 超声波接收电路结构1.2 放大电路原理1.3 波形变换电路原理课程内容

CourseContents超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电

路及波形变换电路三部分。由于经接收头变换后的交流电信号非常弱，因此必

须经放大电路放大。交流信号需要变换为直流信号以判

断是否有回波及回波的大小。超声波接收头波形变换放大电路1.1

超声波接收电路结构放大电路1检波电路放大电路2接收部分比较输出1.1

超声波接收电路结构放大电路部分波形变换部分第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB），经两级放大1000倍（60dB）。单电源（9V）供电，分压之后，在IC4的同相端有4.5V的中点电压，保证放大的交流信号不至于产生信号失真。1.2

放大电路原理第一级放大器的幅频特性第一级放大器的相频特性1.2

放大电路原理第一级放大器的频率特性第二级放大器的幅频特性第二级放大器的相频特性1.2

放大电路原理第二级放大器的频率特性作用：检出经放大后的脉冲信号的直流电压以判断有无回波信号。检波电路1.3

波形变换电路原理ChannelAChannelB检波电路的输入输出波形1.3

波形变换电路原理R12R13Control1M47K9V比较输出电路1.3

波形变换电路原理电子信息工程技术专业教学资源库THANK

YOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰、晏凯《传感器应用技术》课程Sensorsapplicationtechnology超声波传感器的应用分析Ultrasonicsensor

applications1.1超声波传感器测液位原理1.2超声波传感器测流量原理1.3超声波传感器测量系统分析课程内容

CourseContents1.1

超声波传感器测液位原理2

hcct2h

t

超声波发射到液面，

又从液面反射到换能器的时间为t式中：h——换能器距液面的距离；

c——超声波在介质中传播的速度。

测液位原理Hh如果在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L,

如图所示。如设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为t2，流体静止时的超声波传播速度为c，流体流动速度为v，则

L

c

vtc

vt

L21测流量原理1.2

超声波传感器测流量原理c2

v22 1

t

t

t

2Lv一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传